准备就绪后，孙膑挑选了弓弩手1万人，埋伏在山路两旁。然后对弓箭手发出命令说：“天黑时候，只要看见火把就一起射箭!”
果然不出孙膑所料，庞涓率领魏军黄昏时分赶到了马陵道，其时十月下旬，又五月色。魏军人困马乏，极度疲劳，都想停下来歇歇脚。这时，前军回报说，有断木塞路，难以前进。庞涓以为是齐兵惧怕魏军追赶，故设障碍，便命人搬木开路，忽然抬头看见树上砍白处，隐隐有字迹看不真切，庞涓命军士取火照之，众军士一起点起火来，庞涓于火光之下，看得分明，大惊中计，急令退兵，怎奈为时已晚。齐军万名弓弩手一见火光立刻万弩齐发，喊声四起。魏军顿时大乱，被齐军四面围住，既无法抵抗，又无路可逃，死伤殆尽。
庞涓在乱军中，身中数箭，自知“智穷兵败”，无法挽救危局，仰天长叹道：“吾恨不杀此刖夫，遂成竖子之名!”说罢拔剑自刎而死。
庞涓所率精锐被歼后，齐军乘胜发起进攻，魏兵心胆俱裂，无人敢战，各自四散逃生。10万魏军曾经不可一世，如今尸横遍野，全军覆灭，统帅太子申成了俘虏，魏军轻重军器，车马粮草，尽归于齐，齐军取得了战略决战的胜利。这就是历史上著名的马陵之战。
马陵之战，孙膑因势利导，又一次灵活地运用“围魏救赵”之战术，以强示弱，减灶诱敌，设伏马陵，一举全歼了魏军，取得了决战的胜利。马陵之战，同桂陵之战一样，是孙膑军事生涯中的“杰作”，也是我国军事战争史上的两朵并开的“奇葩”，充分显示了孙膑过人的军事谋略和杰出的指挥才能。马陵之战后，魏国元气大伤，国势从此一蹶不振，失去了中原霸权。齐国则声威大振，威服诸侯，称霸于中原。孙膑则由此而名扬天下，实现了他平生的抱负。